計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題解答

1、1. 數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間是什么關(guān)系？在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，確定數(shù)據(jù)表示的原則主要有哪幾個(gè)？答：略2. 假設(shè)有 A 和 B 兩種不同類(lèi)型的處理機(jī)，A 處理機(jī)中的數(shù)據(jù)不帶標(biāo)志位，其指令字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)字長(zhǎng)均為32 位。 B 處理機(jī)的數(shù)據(jù)帶有標(biāo)志位，每個(gè)數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)增加至36 位，其中有 4 位是標(biāo)志符，它的指令條數(shù)由最多256 條減少 至不到 64 條。如果每執(zhí)行一條指令平均要訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)操作數(shù)，每個(gè)存放在存儲(chǔ)器中的操作數(shù)平均要被訪(fǎng)問(wèn)8 次。對(duì)于一個(gè)由1000 條指令組成的程序，分別計(jì)算這個(gè)程序在A 處理機(jī)和B 處理機(jī)中所占用的存儲(chǔ)空間大?。òㄖ噶詈蛿?shù)據(jù)），從中得到什么啟發(fā)？答：我們可以計(jì)算

2、出數(shù)據(jù)的總數(shù)量：?程序有1000 條指令組成，且每條指令平均要訪(fǎng)問(wèn)兩個(gè)操作數(shù)?程序訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)總數(shù)為：1000 x 2 = 2000 個(gè)?每個(gè)數(shù)據(jù)平均訪(fǎng)問(wèn)8 次?程序訪(fǎng)問(wèn)的不同數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為：2000-8 = 250對(duì)于 A 處理機(jī)，所用的存儲(chǔ)空間的大小為：Mem a =Mem 聯(lián)渝 n Mem data "0032 - 25032 =40000 bit對(duì)于 B 處理機(jī)，指令字長(zhǎng)由32 位變?yōu)榱?0 位（條數(shù)由256 減少到64），這樣，所用的存儲(chǔ)空間的大小為：Mem B - Mem instructio n ' Mem data =100030 ' 25036 = 390

3、00 bit由此我們可以看出，由于數(shù)據(jù)的平均訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)要大于指令，所以，采用帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示不會(huì)增加總的存儲(chǔ)空間大小。3. 對(duì)于一個(gè)字長(zhǎng)為64 位的存儲(chǔ)器，訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)存儲(chǔ)器的地址按字節(jié)編址。假設(shè)存放在這個(gè)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)中有20 %是獨(dú)立的字節(jié)數(shù)據(jù)（指與這個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)相鄰的不是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)），有30%是獨(dú)立的16 位數(shù)據(jù)，有20%是獨(dú)立的 32 位數(shù)據(jù)，另外30%是獨(dú)立的64 位數(shù)據(jù)；并且規(guī)定只能從一個(gè)存儲(chǔ)字的起始位置開(kāi)始存放數(shù)據(jù)。 計(jì)算這種存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間利用率。 給出提高存儲(chǔ)空間利用率的方法，畫(huà)出新方法的邏輯框圖，并計(jì)算這種方法的存儲(chǔ)空間利用率。答：由于全是獨(dú)立數(shù)據(jù)，有 20%浪費(fèi)56位（7/8

4、） ; 30%浪費(fèi)48位（6/8） ; 20%浪費(fèi) 32 位（4/8） ; 30% 浪費(fèi) 0 位（0/8）?？偣怖速M(fèi)：0.2X 7/8 + 0.3X 6/8 + 0.2X 4/8+ 0.3X 0/8= 0.5即：存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間利用率為50%,浪費(fèi)率為50%。方案為：數(shù)據(jù)從地址整數(shù)倍位置開(kāi)始存儲(chǔ)，即，雙字地址000結(jié)尾，單字地址00結(jié)尾，半字地址0結(jié)尾，字節(jié)地址結(jié)尾任意 可能出現(xiàn)的各種情況如下:組合存儲(chǔ)空間分配利用率1-2-1-2字節(jié)半字字節(jié)半字0.2*3/8*2/7*3/8*6B/8B0.0061-2-1-4字節(jié)半字字節(jié)0.2*3/8*2/7*2/8*4B/8B0.0028單字1-2-1-8

5、字節(jié)半字字節(jié)0.2*3/8*2/7*3/8*4B/8B0.004雙字1-2-4字節(jié)半字單字0.2*3/8*2/7*7B/8B0.018751-2-8字節(jié)半字0.2*3/8*3/7*3B/8B0.1205雙字1-4字節(jié)單字0.2*2/8*5B/8B0.031251-8字節(jié)0.2*3/8*1B/8B0.009375雙字2-1-2-1半字字節(jié)半字字節(jié)0.3*2/7*3/8*2/7*6B/8B0.00692-1-2-4半字字節(jié)半字0.3*2/7*3/8*2/7*5B/8B0.0057單字2-1-2-8半字字節(jié)半字0.3*2/7*3/8*3/7*5B/8B0.0086雙字2-1-4半字字節(jié)單字0.3*2

6、/7*2/8*7B/8B0.018752-1-8半字字節(jié)0.3*2/7*3/8*3B/8B0.0121雙字2-4半字單字0.3*2/7*6B/8B0.06432-8半字0.3*3/7*2B/8B0.0321雙字4-1-2單字字節(jié)半字0.2*2/8*3/8*7B/8B0.01644-1-4單字字節(jié)0.2*2/8*2/8*5B/8B0.0078單字4-1-8單字字節(jié)0.2*2/8*3/8*5B/8B0.0117雙字4-2-1單字半字字節(jié)0.2*3/8*2/7*7B/8B0.018754-2-4單字半字0.2*3/8*2/7*6B/8B0.0161單字4-2-8單字半字0.2*3/8*3/7*6B/

7、8B0.0241雙字4-8單字0.2*3/8*4B/8B0.05625雙字8雙字0.3*8B/8B0.3合計(jì)1 079224. 一個(gè)處理機(jī)共有10條指令，各指令在程序中出現(xiàn)的概率如下表指令序號(hào)出現(xiàn)的概率Hufhrnn 售'2/8擴(kuò)展編眄法3/7擴(kuò)取編用也h0,25h0J0h0.15k0,10h0.0Sh0.08h0Q>h0.04h0.03002操作碼的平均長(zhǎng)度操作碼的佰息冗余星 采用最優(yōu)Huffman編碼法(信息嫡)計(jì)算這10條指令的操作碼最短平均長(zhǎng) 度。(2)采用Huffman編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法(信息嫡)相比的

8、操作碼信息冗余將得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。(3)采用2/8擴(kuò)展編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中(4)采用3/7擴(kuò)展編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。答：采用最優(yōu)Huffman編碼法(信息嫡)的操作碼最短平均長(zhǎng)度為：nP iH 二八 Pi log ： 2.957指令序號(hào)1出現(xiàn)的概率Huffman編碼法2/8擴(kuò)展編碼法”3/7擴(kuò)展編碼法10.250

9、00000I 20.20100101I 3040.101101001 丁11000 I 50.080110101011001I 60.081110101111010j I7 I0.051111110011011 :I 80.0401110110111100I 90.03011110111011101I 100.02011111111111110 操作碼的平均長(zhǎng)度2.993.13.2操作碼的信息冗余M1.1%4.6%7.6%5. 一臺(tái)模型機(jī)共有7條指令，各指令的使用頻度分別是 35% 25% 20% 10% 5%3% 2%,有8個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器，2個(gè)變址寄存器。(1)要

10、求操作碼的平均長(zhǎng)度最短，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)操作碼的編碼，并計(jì)算所設(shè)計(jì)操作碼的平均長(zhǎng)度。(2)設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器-寄存器型指令3條，16位字長(zhǎng)的寄存器-存儲(chǔ)器 型變址尋址 方式指令4條，變址范圍不小于正、負(fù)127。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式,并給出各字段的長(zhǎng)度 和操作碼的編碼。要使得到的操作碼長(zhǎng)度最短，應(yīng)采用Huffman編碼， Huffman樹(shù)構(gòu)造如下：1.0由此可以得到7條指令的編碼分別如下：指令號(hào)出現(xiàn)的頻率編碼135%00225%01320%10410%11055%111063%1111072%11111這樣，Huffman編碼法得到的操作碼的平均長(zhǎng)度為:I = 2 >(0.35+0.25+0.20) +

11、 3 0.1C X+ 4 0.05 + 5 ?03 + 0.02)=1.6+0.3+0.2+0.25 = 2.35設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器-寄存器型指令如下：因?yàn)橹挥?個(gè)通用寄存器，所以寄存器地址需 3位，操作碼只有兩位，設(shè)計(jì)下：233操作碼OP源寄存器R1目的寄存器R2三條指令的操作碼分別為 00、01、10。設(shè)計(jì)16位字長(zhǎng)的寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令如下：4318操作碼OP通用寄存器變址寄存器偏移地址四條指令的操作碼分別為 1100 1101、1110、11116. 莫處理機(jī)的指令字長(zhǎng)為16位，有雙地址指令、單地址指令和零地址指令三類(lèi)，并假設(shè)每個(gè)地址字段的長(zhǎng)度均為6位。(1)如果雙地址指

12、令有15條，單地址指令和零地址指令的條數(shù)基本相同，問(wèn)單 和零地址指令各有多少條？并且為這三類(lèi)指令分配操作碼。(2)如果要求三類(lèi)指令的比例大致為1: 9: 9,問(wèn)雙地址指令、單地址指令和零令各有多少條？并且為這三類(lèi)指令分配操作碼。格式如地址指令地址指雙地址指令格式為466操作碼地址碼1地址碼2單地址指令格式為：106操作碼地址碼零地址指令格式為16操作碼雙地址指令15 條，需要4 位操作碼來(lái)區(qū)分；單地址指令可以使用10-4=6 位 操作碼來(lái)區(qū)分；零地址指令可以使用16-10=6 位操作碼來(lái)區(qū)分。這樣，各類(lèi)型指令的條數(shù)為：雙地址指令15 條，操作碼為：00001110單地址指令26-1=63 條，操作碼為：1111000000-1111111110零地址指令26=64 條，操作碼為：1111 111111000000-1111 111111111111假設(shè)雙地址指令x 條，則單地址、零地址分別為9x 條：466(2 x- p2 9x2 9x解之即得：x =14?雙地